现代控制阀提供通信、诊断功能

现代气动控制阀中更好的设计、现代材料、机载智能和通信为机械设计师创造了机会和利益，但也带来了需要解决的新挑战。例如，安全、高效的气动自动化系统提高了机器性能和运行可靠性，将压缩空气成本降低了近一半。

通过Sean O’grady 2016年5月3日

一位老的机械设计工程师曾经让我坐下来，教我他认为我需要知道的关于气动方向控制阀选择的科学知识。

虽然他的方法对机器设计来说并不复杂，但却有一种优雅的感觉。对于大多数机器来说，一个详细和严格的气动控制系统的设计方法不会让你的机器在竞争中脱颖而出，所以花尽可能少的时间在上面。如今，更智能的气动设计可以将压缩空气的使用量减少近一半，节省空间，节省设计时间。

现代市场期望要求机器设计的每个方面都能在适当的时候利用先进技术。现代控制阀设计有许多进步，可用的最佳实践可以更容易地实现，无需完成气动硕士课程。

考虑以下应用:设计一台需要48个电磁阀来操作各种小型执行器的机器。该机器由几个单元组成，总长度为10米。客户要求相对于此设备的早期迭代，证明节能。客户还需要快速简便的诊断功能。

气动基础知识

为了使阀门与每个执行器应用相匹配，需要回答两个基本问题:

执行器需要移动多快?

这个问题将有助于选择具有正确流量的阀门。许多免费的在线工具可以帮助你进行计算。

停电时该怎么办?

这个问题将有助于选择正确的阀门功能。下面的每个阀门都会导致钢瓶以相同的方式伸展和收缩，但当电源被移除时，例如在紧急停止或电源故障的情况下，每个阀门的行为都会有所不同。重要的是要选择一个阀门，将提供正确的行为在这种情况下。例如，焊枪可以自动缩回，或门驱动器可以通风，以便手动操作(见表1)。

需要注意的是，抽油杆锁、先导式止回阀和其他设备具有更广泛的功能。

阀阀组

随着设计过程从执行器和连接的阀门转移到阀门歧管，最后到控制系统，需要回答一些架构上的问题。在过去，根据最坏的情况来选择阀门系列是很常见的。流量要求最大的阀门将为整个阀汇开创先河。如果可以在相同的总成上混合阀门通径，则需要笨重、昂贵的适配器板。阀门歧管技术的最新进步，现在允许设计人员在一个歧管上混合和匹配各种功能和流量的阀门，如图1所示。

一个歧管上密集的阀门功能可以帮助实现简单、节省空间、易于安装和具有成本效益的设计。设计过程中的下一个任务是考虑这些好处背后的某些隐性成本。

分散控制

在选择安装气动阀门的方式和位置时，必须考虑两个相互竞争的成本因素。首先，一个48个阀门的歧管总比4个12个阀门的歧管成本要低。其次，阀门和钢瓶之间的长油管隐藏了惊人的成本。例如，我们假设所有48个执行器都是32×100气缸，每分钟循环30次，每天两班。

传统的场景:48个阀门安装在相同的歧管上，并通过8毫米的油管到气缸平均3米的距离。每年在压缩空气上的花费为14,270.88美元。

分散的场景:安装4个歧管，每个歧管有12个阀门。由于阀门距离气缸更近，因此使用更短的下入(500mm)较小的油管(4mm)来实现相同的气缸速度。在这种情况下，每年在压缩空气上的花费只有7365.60美元。

每个应用程序都是唯一的，但与任何此类应用程序一样，必须考虑这些成本。在现场总线阀汇的早期，集中式阀汇的财务情况相当强。网络技术的最新进展允许多个流形以惊人的低成本共享一个EtherNet/IP网络(来自ODVA)(或其他工业以太网协议)节点。市场已经产生了各种各样的去中心化技术。每一种都有自己的功能和限制，但它们都是降低上述多管汇设计成本的有效工具(见图2)。

气动节能

绝大多数气缸应用在只需要单向驱动的情况下。不幸的是，在许多情况下，执行器的安装方式导致它们从做功中缩回所消耗的能量与实际做功所消耗的能量相同。参考上述相同的例子，但只使用一根杆将气缸缩回，空气消耗量将从7,365.60美元进一步减少到4,922.88美元。这并不是一个新想法。多年来，每个阀门站都有夹层压力调节器，但额外的资本投资并不总是明确合理的。许多现代阀门歧管支持的一个更好的解决方案是选择简单地以不同的方式向阀门歧管提供压力。

图3显示了两个阀门/气缸组合。左边是传统的管道，右边是现代的。在阀门的适当一侧施加较低的压力可以减少空气消耗量。在过去，这通常是不可能的，因为许多阀门需要在端口1施加压力，以供应阀门的先导电路。在大多数情况下，现代阀门从单独的厨房接收先导供应，增加了灵活性，以创建更节能的设计。

机器安全

行业内最近最重要的变革性变化是对机器安全的思考发生了转变。新的机器安全法规已经开始取代严格的操作安全规定，取而代之的是更细致入微的流程，从更广泛的角度考虑工人安全问题。新法规已被证明在提高工作场所安全方面是有效的，并为机器设计师提供了将安全系统集成到正常循环操作中的机会，以提高而不是阻碍生产力。现在，越来越多的常见应用可以通过适用于EN ISO 13849-1标准的控制系统安全相关部件的集成电控气动产品来解决。机械安全。控制系统安全相关部件。第1部分:设计一般原则）.

一个例子是使用“传感器阀”来切换先导电源到歧管。对于传统系统来说，当操作人员必须伸手到夹具中加载部件时，通常会完全排气歧管，甚至整个单元的压力。在每个负载周期后，对电池加压所花费的时间和精力对生产率是不利的。专门的阀门/传感器组合可以使控制系统仅从歧管中释放先导空气，防止阀门移位，而不会浪费大量能量。提供直接监测压力，允许实现双通道安全解决方案。

随着机器制造商和设备供应商越来越擅长将现代安全解决方案集成到生产机械中，这一控制领域将继续增长。

气动诊断

在气动领域，诊断能力并不新鲜。多年来，高性能阀门歧管具有复杂的诊断能力。当以预期的方式应用时，阀门歧管内的故障将在机器的人机界面(HMI)上产生清晰且可操作的信息。在某些情况下，控制工程师和程序员甚至向适当的维护资源发送电子邮件或短消息服务(SMS)故障代码。这种程度的整合相对罕见。在大多数情况下，人们只有在机器故障后才开始通过诊断工具来寻找原因。

通过更多地使用基于以太网的协议，可以获得更多的诊断数据。机载Web服务器生成的可用数据更快、更容易访问。气动设备制造商也为流行的控制系统提供软件，使程序员能够更快地获取、解码和使用气动阀汇提供的诊断信息。

IO-Link设备网络(来自Profibus和Profinet International)的出现为以前由硬连接歧管提供服务的应用程序带来了诊断功能。IO-Link独特的点对点特性，加上其广泛采用，已经转化为更低价格点的诊断功能。

现代机器设计师

自“管道尺寸是正确的尺寸”的时代以来，机械设计师已经取得了长足的进步。通过更好的设计、现代材料、车载智能和通信，今天的机械设计师能够应用安全、高效的气动自动化系统，这些系统的性能和运行可靠性在几年前是不可能实现的。

Sean O’grady他是Festo阀门终端和电子产品的产品经理。由CFE Media副内容经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程，eguenther@cfemedia.com．

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